利用智能充电管理克服便携式设备所面临挑战

用于锂离子电池充电的独立IC充电管理系统

IC,即集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母IC(也有用文字符号N等)表示。随着微处理器和PC机的广泛应用和普及(特别是在通信、工业控制、消费电子等领域)，IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户则要求不断增加IC的集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润;另一方面，由于IC微细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件(包括FPGA)、标准单元、全定制电路等应运而生。

设计师选用全集成单芯片电池管理系统的主要原因在于其体积小，成本低，并且设计时间/工作量/资源最小。独立的锂离子电池充电IC,特别是用于线性拓扑的IC,只需要SMD电容器来保持AC稳定，并在没有电池负载时提供补偿。因此采用集成解决方案所需的PCB空间较小，相关元器件数量也最少。图4是一个全集成的电池管理控制器作为独立的电池充电器使用时的典型应用电路。

图4：典型的独立充电管理控制器应用电路。

由于在IC中置入了充电算法和事务管理电路，因而不再需要其他固件，可以直接进行设计。半导体公司通常会以详尽的数据手册和应用指南来提供良好的产品支持，帮助设计师将电池充电IC植入系统。这样做不仅加快了产品面市时间，而且还通过缩短开发时间和取消软件开发工作而降低了成本。不过，灵活度不够是这种独立的充电管理IC在如今快速变化的电池领域面临的主要问题。

各种方案是如何克服挑战的?

充电电池的额定电压和充电电压取决于其化学材料。电池阳极和阴极所用化学材料的不同决定了电池电压和其他相关特性，例如能量密度、内阻等。例如，电池制造商对钴和锰锂离子电池推荐的充电电压为4.2V,而对磷酸盐锂电的推荐充电电压为3.6V.虽然磷酸盐锂离子电池可以用较高的稳定电压充电以使得每次充电后能有最大的电能，但代价是电池寿命将缩短。

由微控制器管理的系统可以方便地修改电压稳定机制、预处理门限电压、最大的充电电流和其他参数，而且所有这些功能都无需改变硬件即可实现。通过适当地更新固件和一些不重要的硬件，该系统很容易适用于Ni-MH、Ni-Cd密封铅酸(SLA)以及其他化学材料的电池。MCU可以使其他系统具备智能化，这对便携式设备是很有益的，例如系统监视和提供输出信号、认证与通信等，从而有效防止最终用户使用伪劣电池。

由于缺乏灵活性，使得集成系统很难竞争过MCU+PWM的充电管理方案。通常IC设计公司和半导体制造商通过提供不同的预置电压、可选的或者可编程的电流(预处理电流、充电电流和结束电流)以及采用外部电阻和电容编程某些参数来解决这些问题。通常，充电管理IC采用电池制造商所建议的CC-CV充电算法。安全定时器也是可编程的，或是可选择的。当安全定时器在充电结束之前溢出时，系统会增加一个故障标志或者关断。安全定时器可用来防止锂离子电池由于过充电而发生危险，并能识别'死'电池。例如对一个性能良好的锂离子电池来说，在加上一个适当的电压后，它会在较短的时间内进入恒流充电状态。如果在预处理期间安全定时器发生溢出，电池很可能需要更换了。

图5：全集成独立充电器IC的典型充电曲线。

图5给出了一个典型的独立线性锂离子电池充电管理控制器的完整充电过程。所需的总充电时间将根据结束充电选项的不同而不同。在每个充电过程的开始，如果内部功耗过高，热反馈将调节器件的温度。当器件温度低于最大值时，恒流模式将恢复到最大编程值，从而提高充电器的可靠性和安全性。这种作法的代价是整个充电周期略有增加。比较图3和图5,热调节功能实际上只是使整个充电过程延长了大约7分钟，这在绝大多数的应用中是微不足道的，因为整个充电周期约为3小时。

本文小结

全集成的IC可以帮助设计师快速且低成本地实现电池充电功能。但是，这些标准的器件无法满足所有便携式器件设计和设计师的需求。产品设计师通常很难找到能够满足所有设计要求的电池充电解决方案。电池充电管理控制器IC通常是针对一般性应用设计的，而并非针对特殊应用而设计。一些制造商试图提供单芯片多化学材料的解决方案，但与这些方案有关的内置算法要么太昂贵，要么用户不友好。对于高端电池充电管理系统或者电池化学材料可能随着产品的改版而改变的设计来说，基于MCU+PWM控制器的系统是理想的解决方案。

表1：MCU+PWM控制器与独立充电器IC的比较。